花岗岩残积土路基弯沉值超标换填方案试验研究及回归分析

马定乐

(广东交通实业投资有限公司,广东 广州 514000)

路基弯沉值是指在荷载作用下的变形值,表明在规定的荷载下测得路基垂直方向的弹性变形量,是评价土质路基强度的主要技术指标。花岗岩残积土广泛分布于东南沿海地区,具有遇水软化、易扰动、强度变异性大等工程特性,在工程建设中易造成路基积水软化、沉降变形大及强度急剧降低等问题,导致路基局部的弯沉达不到要求,无法直接作为路基的持力层。针对这一问题,目前主要采用开挖换填、改良土及换土加铺土工格栅法等方式进行处治[1-5],其中开挖换填法是一种较为简易,也是采用最多的方法。开挖换填施工需要将一定深度软弱层挖除,分层回填砂土、石渣等强度较大的材料,并碾压密实。然而在实际现场施工过程中,对于换填材料及换填深度都难以控制,时常造成工程浪费或二次换填等。因此,针对花岗岩残积土路基换填材料选择与换填深度的相关研究对于沿海地区路基建设具有重要意义。

基于此,运用现场试验手段,对不同工况下开挖换填法的换填参数,进行实测对比研究,分析出不同工况下的换填参数,该研究成果可为今后类似地域工程建设提供一定的借鉴。

1 工程概况

依托工程沿线出露地层岩性较复杂,区域内第四纪沉积物较发育,残积层主要见于丘陵地表,基岩层主要为沉积岩和花岗岩,厚度为几米至数十米不等,易发生崩塌和水土流失等地质灾害。所在区域主要为花岗岩地层,该区域挖方路基绝大部分为强风化、全风化的花岗岩与残积土。花岗岩残积土在化学风化过程中将长石水解碳酸化变成高岭石,高岭石虽结构致密,但吸水性较强,浸水后容易膨胀软化,会造成土体强度明显下降。再加上土体颗粒级配不均,且黏性较大,可塑性和压缩性高,吸水性和保水性也较强,导致相应花岗岩残积土路段的路基弯沉值无法满足设计要求[6-10]。

通过室内试验得到研究区域内的花岗岩残积土的天然含水率在24%～29%范围内,最佳含水率一般为14%～15%,液限偏高,在46%左右。室内颗粒分析试验结果见表1。由表1可知,大于2 mm的颗粒含量为6.3%,大于0.5 mm的颗粒含量为22.1%,根据吴能森[11]对现有的花岗岩残积土颗粒级配分类方法的总结,可以确定本试验中土样的类别为残积砂质黏性土。

表1 土样颗粒分析试验结果

2 换填法处治现场试验

2.1 试验段选定

根据现场实际情况,选定3个典型段落作为试验段,试验段1(K14+100～K14+280)路基顶原弯沉值在250～300(0.01 mm)范围内;试验段2(K12+350～K12+530)路基顶原弯沉值在300～350(0.01 mm)范围内;试验段3(K11+620～K11+800)路基顶原弯沉值在350～400(0.01 mm)范围内;各试验段长均为180 m,试验段设置情况见表2。设计要求路基弯沉代表值不大于232.9(0.01 mm),为简化数据处理过程,本次试验段以单点弯沉值不大于150(0.01 mm)为换填目标。

表2 试验段设置一览表

2.2 换填方案

本着就地取材、经济合理的原则,试验段换填材料采用碎石土、石渣及碎石;换填深度分30 cm、50 cm、80 cm三个等级。每20 m作为一个换填试验单元,共进行27组对比试验,各换填单元的换填单价见表3。

表3 各换填单元的单价

2.3 试验步骤

(1)按照换填深度对各试验段进行开挖。

(2)开挖完成后分层填压,30 cm段落分一层填筑,50 cm段落分两层填筑,每层25 cm;80 cm段分四层填筑,每层20 cm。

(3)换填处理后1 d、3 d、7 d分别对路基顶弯沉进行复测,取左右轮平均值作为该点代表值。

3 试验结果分析

3.1 试验段1结果分析

试验段1原路基顶面弯沉实测值均在250～300(0.01 mm)范围,换填碎石土处理后弯沉值复测结果见图1。由图1可知,换填30 cm碎石土后,路基顶弯沉值由272(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),弯沉值降低18.4%,换填50 cm碎石土后,路基顶弯沉值由275(0.01 mm)降低到150(0.01 mm),弯沉值降低45.5%,换填80 cm碎石土后,路基顶弯沉值由277(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),弯沉值降低61%。换填石渣处理后弯沉值复测结果见图2。由图2可知,换填30 cm石渣后,路基顶弯沉值由273(0.01 mm)降低到191(0.01 mm),弯沉值降低30%,换填50 cm石渣后,路基顶弯沉值由273(0.01 mm)降低到125(0.01 mm),弯沉值降低54.2%,换填80 cm石渣后,路基顶弯沉值由281(0.01 mm)降低到88(0.01 mm),弯沉值降低68.7%。换填碎石处理后弯沉值复测结果见图3。由图3可知,换填30 cm碎石后,路基顶弯沉值由269(0.01 mm)降低到192(0.01 mm),弯沉值降低28.6%,换填50 cm碎石后,路基顶弯沉值由268(0.01 mm)降低到105(0.01 mm),弯沉值降低60.8%,换填80 cm碎石后,路基顶弯沉值由271(0.01 mm)降低到93(0.01 mm),弯沉值降低65.7%。换填处理后3 d和7 d各段弯沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,换填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以内,说明固结过程已趋于收敛,因此对于试验段3换填3 d后复测弯沉值能够获取反应真实情况的数据。对于试验段1,除换填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它换填方案均可满足设计要求,从经济角度考虑,试验段1选取换填50 cm碎石土的方案较为合理。

图1 试验段1碎石土换填检测结果

图2 试验段1石渣换填检测结果

图3 试验段1碎石换填检测结果

3.2 试验段2结果分析

试验段2原路基顶面弯沉实测值均在300～350(0.01 mm)范围,换填碎石土处理后弯沉值复测结果见图4。由图4可知,换填30 cm碎石土后,路基顶弯沉值由336(0.01 mm)降低到291(0.01 mm),弯沉值降低13.4%,换填50 cm碎石土后,路基顶弯沉值由327(0.01 mm)降低到212(0.01 mm),弯沉值降低35.2%,换填80 cm碎石土后,路基顶弯沉值由340(0.01 mm)降低到190(0.01 mm),弯沉值降低44.1%。换填石渣处理后弯沉值复测结果见图5。由图5可知,换填30 cm石渣后,路基顶弯沉值由339(0.01 mm)降低到278(0.01 mm),弯沉值降低18%,换填50 cm石渣后,路基顶弯沉值由328(0.01 mm)降低到198(0.01 mm),弯沉值降低39.6%,换填80 cm石渣后,路基顶弯沉值由337(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),弯沉值降低68%。换填碎石处理后弯沉值复测结果见图6。

图4 试验段2碎石土换填检测结果

图5 试验段2石渣换填检测结果

图6 试验段2碎石换填检测结果

由图6可知,换填30 cm碎石后,路基顶弯沉值由341(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),弯沉值降低34.9%,换填50 cm碎石后,路基顶弯沉值由341(0.01 mm)降低到161(0.01 mm),弯沉值降低52.8%,换填80 cm碎石后,路基顶弯沉值由338(0.01 mm)降低到79(0.01 mm),弯沉值降低76.6%。换填处理后3 d和7 d各段弯沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,换填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以内,说明固结过程已趋于收敛,因此对于试验段3换填3 d后复测弯沉值能够获取反应真实情况的数据。对于试验段2换填80 cm石渣及80 cm碎石可满足设计要求,从经济角度考虑,试验段2选取换填80 cm石渣的方案较为合理。

3.3 试验段3结果分析

试验段3原路基顶面弯沉实测值均在350～400(0.01 mm)范围,换填碎石土处理后弯沉值复测结果见图7。由图7可知,换填30 cm碎石土后,路基顶弯沉值由368(0.01 mm)降低到299(0.01 mm),弯沉值降低18.7%,换填50 cm碎石土后,路基顶弯沉值由366(0.01 mm)降低到215(0.01 mm),弯沉值降低36%,换填80 cm碎石土后,路基顶弯沉值由371(0.01 mm)降低到225(0.01 mm),弯沉值降低39.4%。换填石渣处理后弯沉值复测结果见图8。由图8可知,换填30 cm石渣后,路基顶弯沉值由382(0.01 mm)降低到275(0.01 mm),弯沉值降低28%,换填50 cm石渣后,路基顶弯沉值由381(0.01 mm)降低到220(0.01 mm),弯沉值降低42.3%,换填80 cm石渣后,路基顶弯沉值由380(0.01 mm)降低到120(0.01 mm),弯沉值降低68%。换填碎石处理后弯沉值复测结果见图9。由图9可知,换填30 cm碎石后,路基顶弯沉值由377(0.01 mm)降低到231(0.01 mm),弯沉值降低38.7%,换填50 cm碎石后,路基顶弯沉值由379(0.01 mm)降低到165(0.01 mm),弯沉值降低56.5%,换填80 cm碎石后,路基顶弯沉值由369(0.01 mm)降低到85(0.01 mm),弯沉值降低77%。换填处理后3 d和7 d各段弯沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,换填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以内,说明固结过程已趋于收敛,因此对于试验段3换填3 d后复测弯沉值能够获取反应真实情况的数据。对于试验段3换填80 cm碎石可满足设计要求,从经济角度考虑,试验段3选取换填80 cm碎石的方案较为合理。

图7 试验段3碎石土换填检测结果

图8 试验段3石渣换填检测结果

图9 试验段3碎石换填检测结果

4 弯沉值回归分析

在试验结果与数据分析中,得出了换填厚度、固结时间、换填材料与弯沉改善情况的简单关系,为更加准确分析出三个变量与弯沉改善情况的关系,采用逐步回归分析法模拟出三个变量共同作用下与弯沉改善情况的关系式。

4.1 回归步骤

逐步回归基本思想是将换填深度、固结时间、换填材料分别设定为变量A1、A2、A3,弯沉改善率则设定B,B由A1、A2、A3共同决定,先将原始解释变量A1、A2、A3及交互作用下的变量A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3作简单回归,得出A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3的P值均大于0.05,对B不显著,应舍去。然后再得出其余变量对模型结果的贡献大小,以贡献最大的变量回归方程式为基础,把其余解释变量依次带入回归模型,每引入一个解释变量都要对其进行F检验,然后对已选入的解释变量进行T检验,当新加入的解释变量导致原先引入的解释变量不再变得显著时,则去掉新加入的解释变量,使模型中每个解释变量始终处于显著状态,以此为循环,直到加入所有的解释变量且模型中没有不显著的变量为止,以保证回归方程的最优性。模型摘要见表4。

表4 模型摘要

4.2 回归结果及分析

本次回归采用SPSS软件对原始数据因子变量进行相关性分析,结果如表5所示。

表5 逐步线性回归结果

从表5可知,模型分4次建立,由逐步分析前的简单回归显示换填深度对弯沉改善率的影响最大,因此在模型1中以换填深度为基础进行回归,回归结果中显示换填深度的P值远<0.05,表明换填深度对弯沉改善率的影响非常显著,但由于只带入了换填深度一个解释变量,无法使数据回归结果接近试验值,拟合优度没有达到最优,此时拟合优度指标为0.810,模型1的回归方程为:B=0.007×换填深度+0.123。类比,模型2、模型3、模型4根据显著性由高到低,分别依次再加入换填材料(碎石土)、固结时间、换填材料(石渣)、换填材料(碎石),其模型拟合优度,逐渐提高为0.924,得到非常好的模型拟合优度。最后的模型为:弯沉改善率=0.007×换填深度-0.175×碎石土-0.065×石渣-0.055碎石+0.016×固结时间+0.145。

5 结 论

对全风化花岗岩地层路基顶弯沉超标问题,采用换填处理进行现场试验研究,通过试验结果可以得到以下结论和建议。

(1)对于全风化花岗岩地层路基,采用换填碎石土、石渣、碎石都能不同程度地改善路基顶的弯沉值,其中换填碎石效果最好,石渣次之,碎石土效果最差。

(2)各试验段换填处理后1～3 d路基顶弯沉值有相对较大的改善空间,3～7 d路基顶弯沉值变化不大,因此在换填处理3 d后对路基顶弯沉值进行复测较为合理。

(3)试验段1除换填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它换填方案均可满足设计要求,从经济角度考虑,试验段1选取换填50 cm碎石土的方案较为合理。试验段2选取换填80 cm石渣的方案较为合理。试验段3选取换填80 cm碎石的方案较为合理。

(4)采用逐步分析法建立模型,模拟拟合优度达到0.924,与试验值非常接近,可将回归方程推广运用于类似工程项目。